DE2228703A1 - Verfahren zum herstellen einer vorgegebenen lotschichtstaerke bei der fertigung von halbleiterbauelementen - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer vorgegebenen lotschichtstaerke bei der fertigung von halbleiterbauelementen

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Description

Licentia Patent-Verwaltungs-G.m.b.H. 6 Frankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1.
Jacobsohn/gö FBE 72/7
30.5.1972 '
"Verfahren zum Herstellen einer vorgegebenen Lotschichtstärke bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen"
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer vorgegebenen Lotschichtstärke bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen.
Bei der Herstellung von Lötverbindungen, die sowohl der mechanischen als auch der thermischen und elektrischen Kontaktierung dienen, tritt häufig die Forderung auf, daß zwischen den zu verbindenden Teilen nach dem Erstarren des Lotes eine vorgegebene Lotschichtstärke vorhanden sein soll. Es hat sich nämlich gezeigt, daß die Ermüdung einer Lötverbindung, die Werkstoffe mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten miteinander verbindet, auch erheblich von der Lotschichtstärke abhängig ist.
Bei Halbleiterbauelementen unterliegt die Lötverbindung zwischen dem Halbleiterkörper und dem metallischen Träger während des Betriebes häufig einer starken thermischen Wechselbeanspruchung. Wenn ein Halbleiterbauelement auch bei einer hohen Zyklenzahl zuverlässig arbeiten soll, ergibt sich somit die Forderung, die Lotschichtstärke auf einen solchen Wert einzustellen, daß die Ermüdung möglichst gering bleibt.
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Es ist bekannt, die zu verlötenden Anschlußelektroden von Halbleiterbauelementen mit Prägungen oder Warzen zu versehen und außerdem durch einen hinreichend großen Anpreßdruck während des Lötvorganges sowohl ein Unter- als auch ein Überschreiten der vorgesehenen Lotschichtstärke zu verhindern und auf diese Weise eine angestrebte Lotschichtstärke zu erhalten.
Dieses Verfahren erfordert jedoch einen hohen Kostenaufwand, da die zu kontaktierenden Halbleiterbauelemente häufig sehr kleine Abmessungen besitzen und zum andern die Einhaltung der Höhe von Prägungen oder Warzen mit engen Toleranzen die Verwendung sehr komplizierter Werkzeuge und Vorrichtungen bedingt.
Es ist auch bekannt, zur Herstellung von vorgegebenen Lotschichtstärken engtolerierte Lötformen und Bauteile zu verwenden. Da jedoch Lötverbindungen einerseits einen gewissen Anpreßdruck während des Lötvorganges erfordern, wenn eine gute Verbindung hergestellt werden soll, andererseits ein Herausquetschen des flüssigen Lotes verhindert werden muß, lassen sich derartige Verfahren bei Einhaltung von engen Toleranzen nur sehr schwer und mit erheblichen Kosten verwirklichen und haben sich daher ebenfalls als nachteilig erwiesen.
Lediglich mit einfachen Lötformen und Gewichten zu arbeiten und die bei der Löttemperatur vorhandenen Eigenschaften der verwendeten Stoffe auszunutzen, stellt zu hohe Anforderungen an die Temperaturkonstanz, die Zusammensetzung des Lotes und die Benetzbarkeit der zu verlötenden Teile, so daß eine langfristige gleichmäßige Fertigung auf diese Weise kaum oder gar nicht aufrecht—zu—erhalten ist.
Es ist weiterhin bekannt, durch Einlegen von Netzen, Ringen oder anderen Formkörpern konstante Lotschichtstärken zu erzeugen. Nachteilig bei diesen Verfahren ist der zusätz-
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liehe Arbeitsschritt beim Einlegen dieser Abstandshalter sowie teilweise ihre örtliche Fixierung. Außerdem lassen sich Gaseinschlüsse, die zu lunkerhaften Lötverbindungen führen, nur schwer vermeiden.
Schließlich ist es noch bekannt geworden, Weichloten Zusatzstoffe zum Angleichen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten und zur Verbesserung der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit in Form von Pulvern, zuzusetzen. Doch haben solche Zusatzstoffe keinen Einfluß auf die Lotschichtstärke im Sinne dieser Erfindung.
Aufgabe der Erfindung ist ein Verfahren, mit dem eine vorgegebene Lotschichtstärke in möglichst einfacher und kostengünstiger Weise auch bei der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen mit kleinen Abmessungen und engen Toleranzen der Lotschichtstärke erzielt wird.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Herstellen einer vorgegebenen Lotschichtstärke bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß dem Lot Zusatzstoffe zugefügt werden, die so bemessen sind oder im Laufe des Verfahrens auf eine solche Größe gebracht werden, daß der Abstand von zwei an den Zusatzstoffen anliegenden parallelen Flächen der angestrebten Lotschichtstärke entspricht, und daß die Zusatzstoffe bei den Lötbedingungen nicht oder nur beschränkt in ihren Dimensionen geändert werden.
Es ist für die Zugabe der Zusatzstoffe möglich, das Lot erst aufzuschmelzen und die Lotschmelze darauf mit den Zusatzstoffen zu versetzen, wobei man durch mechanisches Mischen und rasches Abkühlen für eine gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe in der erstarrenden Schmelze sorgt. Es ist aber auch möglich, die Zusatzstoffe dem Lot im festen Zuäand zuzufügen, was z. B. durch Aufbringen der Zusatz-
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stoffe auf eine Lotfolie und Einwalzen geschehen kann oder sich durch Mischen der Zusatzstoffe mit pulverisiertem Lot oder pulverisierten Lotbestandteilen und anschließendes Zusammensintern oder Schmelzen erreichen läßt.
Erleichtert wird die Erzielung und Erhaltung der gleichmäßigen Verteilung der Zusatzstoffe im Lot, wenn die Dichte der Zusatzstoffe gleich oder ähnlich der Dichte des Lotes ist. So hat sich z. B. bewährt, einem Weichlot der Legierung mit 90 % Blei, 5 % Indium und 5 % Silber, das eine Dichte von etwa 11 g/cm aufweist, Zusatzstoffe aus einer Legierung von 90 % Silber und 10 % Gold mit etwa vergleichbarer Dichte zuzufügen.
Die angestrebte Lotschichtstärke wird entweder dadurch erreicht, daß die Zusatzstoffe von vornherein die gleichen Dimensionen und Toleranzen wie die später gewünschte Lotschichtstärke aufweisen, oder dadurch, daß die Dimensionen der Zusatzstoffe gleich und/oder größer als die angestrebte Lotschichtstärke sind und durch nachträgliche, dem Lötprozeß vorangehende Formgebung auf die angestrebte Lotschichtstärke gebracht werden, was beispielsweise durch Walzen erfolgen kann.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die Menge der Zusatzstoffe nur gering zu sein und weniger als etwa 12 % zu betragen braucht. Oft reichen 2 % oder sogar noch geringere Anteile aus.
Zweckmäßigerweise ist die Oberfläche der Zusatzstoffe mit einer Schicht versehen, die im Lot nicht oder nur unwesentlich lösbar ist. Ebenso ist es zweckmäßig, daß die Oberfläche der Zusatzstoffe oder eine auf ihre Oberfläche aufgebrachte Schicht vom Lot benetzt wird.
Als Zusatzstoffe sind ein oder mehrere Metalle oder Metall-Legierungen geeignet, deren Schmelzpunkt höher als der
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Schmelzpunkt des verwendeten Lotes liegt. Wenn die Lotschichtstärke durch Walzen von gegebenenfalls größeren Zusatzstoffen auf eine kleinere Größe eingestellt wird, sollen auch die Metalle oder Metall-Legierungen walzbar sein.
Aus der großen Zahl der Metalle oder Metall-Legierungen, die für die Verwendung bei dem Verfahren nach der Erfindung als geeignet erscheinen, haben sich besonders Kupfer oder vernickeltes Kupfer, Gold-Silber-Legierungen oder vernickelte Gold-Silber-Legierungen, etwa mit einem Anteil von etwa 10 J/o Gold und 90 % Silber, Silber oder vernickeltes Silber oder auch Nickel besonders bewährt.
Neben den genannten Metallen sind als Zusatzstoffe aber auch harte Formkörper, wie Wolfram oder vernickeltes Wolfram, Molybdän oder vernickeltes Molybdän, glas- oder keramikartige Stoffe oder metallisierte glas- oder keramikartige Stoffe geeignet .
Als Lote sind Weichlote, wie sie bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen verwendet werden, z. B. aus einer Blei-Indium-Legierung, aus einer Blei-Indium-Silber-Legierung, aus einer Blei-Zinn-Legierung oder aus einer Gold-Zinn-Legierung geeignet, und zwar mit etwa folgender Zusammensetzung:
90 % Blei, 5 % Silber, 5 % Indium; 60 % Blei, 40 % Zinn; 90 % Blei, 10 % Zinn; 97 % Blei, 3 % Zinn; 80 % Gold, 20 % Zinn.
Gegebenenfalls finden aber an Stelle von Weichloten auch Hartlote Verwendung.
Zweckmaßigerweise werden als Zusatzstoffe kugel- oder zylinderförmige Körper verwendet.
Die Erfindung gibt die Möglichkeit, das Lot zusammen mit
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den Zusatzstoffen im festen oder im flüssigen Zustand auf die zu verbindenden Teile aufzubringen, wobei das Lot entweder auf ein Teil oder auf beide aufgebracht' wird. Außerdem können aus dem mit Zusatzstoffen versehenen Lot Lotformteile durch Stanzen hergestellt werden. In zweckmäßiger Weise läßt sich das die Zusatzstoffe enthaltende Lot aber auch im Tauchverfahren, durch Walzplattieren oder Aufpressen und durch Aufschmelzen von Lotfolie aufbringen.
An einem Ausführungsbeispiel, bei dem eine Lotschichtstärke von 70/Um vorgesehen ist, soll das Verfahren nach der Erfindung noch einmal näher beschrieben werden.
Etwa 500 g einer Blei-Indium-Silber-Legierung mit einem Anteil von 90 % Blei, 5 % Indium und 5 % Silber werden unter Formiergas, das aus etwa 80 % Stickstoff und 20 % Wasserstoff besteht, aufgeschmolzen und auf eine Temperatur von 450 0C gebracht. Dieser Lotschmelze werden etwa 10 g vernickelter Silberkugeln mit einem Durchmesser von .60 bis 100/Um unter kräftiger Rührbewegung zugefügt. Durch Abschrekken der Lotschmelze wird die annährend gleichmäßige Verteilung der Zusatzstoffe auch im festen Lot gewährleistet. Daa erstarrte Lot wird darauf in Walzschritten auf eine Dicke von 70/Um gewalzt. Aus dieser Lotfolie werden Lotformteile, z. B. Ringe oder Ronden, gestanzt, die zwischen die zu verlötenden Teile gelegt und mit diesen in einen Durchlaufofen gebracht werden, wo bei einer Maximal-Temperatur von 390 C die Lötverbindung hergestellt wird.
Die auf die oben beschriebene Weise hergestellte Lötverbindung weist die vorgesehene Lotschichtstärke von 70 /um auf. Die Einhaltung dieser Lotschichtstärke ist während der Herstellung nicht mehr vom Anpreßdruck, der Lotzusammensetzung, den Benetzungseigenschaften der zu verbindenden Teile und der Schutzgasatmosphäre abhängig, sondern richtet sich einzig nach der beim Walzprozeß erzielbaren Toleranz.
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Claims (1)

  1. - 7 - FBE 72/7
    Patentansprüche
    1.^ Verfahren zum Herstellen einer vorgegebenen Lotschicht- ~~ stärke bei der Fertigung von Halbleiterbauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot Zusatzstoffe zugefügt werden, die so bemessen sind oder im Laufe des Verfahrens auf eine solche Größe gebracht werden, daß der Abstand von zwei an den Zusatzstoffen anliegenden parallelen Flächen der angestrebten Lotschichtstärke entspricht, und daß die Zusatzstoffe bei den Lötbedingungen nicht oder nur beschränkt in ihren Dimensionen geändert werden.
    2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot sich bei der Zugabe der Zusatzstoffe im flüssigen Zustand befindet.
    3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lot sich bei der Zugabe der Zusatzstoffe im festen Zustand befindet.
    4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzstoffe durch Mischen mit pulverisiertem Lot oder pulverisierten Lotbestandteilen und anschließendes Zusammensintern oder Schmelzen dem Lot zugefügt werden.
    5· Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzstoffe zugefügt werden, die gleiche Dimensionen und Toleranzen wie die angestrebte Lotschichtstärke aufweisen.
    6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot Zusatzstoffe zugefügt werden, deren Dirnen-
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    sionen gleich und/oder größer als die angestrebte Lotschichtstärke sind und die durch nachträgliche, dem Lötprozeß vorangehende, Formgebung auf die angestrebte Lotschichtstärke gebracht werden.
    7· Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot Zusatzstoffe zugefügt werden, deren Dimensionen gleich oder größer als die angestrebte Lotschichtstärke ist und die durch nachträgliches, dem Lötprozeß vorangehendes, Walzen auf die angestrebte Lotschichtstärke gebracht werden.
    8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß dem Lot Zusatzstoffe unter 12 % zugefügt werden.
    9· Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzstoffe zugefügt werden, deren Dichte gleich oder ähnlich der Dichte des Lotes ist.
    10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzstoffe zugefügt werden, deren Oberfläche mit einer im Lot nicht oder nur unwesentlich lösbaren Schicht versehen ist.
    11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Zusatzstoffe zugefügt werden, deren Oberfläche oder deren auf die Oberfläche aufgebrachte Schicht vom Lot benetzt wird.
    12. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe ein oder mehrere Metalle oder Metall-Legierungen zugefügt werden, deren Schmelzpunkt höher als der Schmelzpunkt des verwendeten Lotes liegt.
    13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe ein oder mehrere walzbare Metalle oder Metall-Legierungen zugefügt werden.
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    - 9 - FBE 72/7
    14. Verfahren nach Anspruch 1 "bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Kupfer zugefügt wird.
    15· Verfahren nach Anspruch 1 "bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff vernickeltes Kupfer zugefügt wird.
    16. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff eine Gold-Silber-Legierung zugefügt
    wird.
    17· Verfahren nach Anspruch 1 bis 13 und 16, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff eine Gold-Silber-Legierung mit einem Anteil von etwa 10 % Gold und 90 % Silber zugefügt wird.
    18. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff eine vernickelte Gold-Silber-Legierung zugefügt wird.
    19· Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Silber zugefügt wird.
    20. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff vernickeltes Silber zugefügt wird.
    21. Verfahren nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Nickel zugefügt wird.
    22. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff harte Form-körper zugefügt werden.
    23. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Wolfram zugefügt wird.
    24. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff vernickeltes Wolfram
    zugefügt wird.
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    - 10 - FBE 72/7
    25· Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff Molybdän zugefügt wird.
    26. Verfahren nach Anspruch 1 bis 11, 22 und 25, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoff vernickeltes Molybdän zugefügt wird.
    27· Verfahren nach Anspruch 1 bis 11 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe glas- oder keramikartit;;e Stoffe zugefügt werden.
    28. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, 22, 26 und 27, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe metallisierte glas- oder keramikartige Stoffe zugefügt werden«,
    29· Verfahren nach Anspruch 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot verwendet wird.
    30. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Indium-Legierung verwendet wird.
    31. Verfahren nach Anspruch 1 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Indium-Legierung mit einem Anteil von etwa 70 % Blei und 30 % Indium verwendet wird.
    32. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Indium-Silber-Legierung verwendet wird.
    33. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29 und 32, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Indium-Silber-Legierung mit einem Anteil von etwa 90 % Blei, 5 % Silber und 5 % Indium verwendet wird.
    34-. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Zinn-Legierung verwendet wird.
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    - 11 - PBE 72/7
    55« Verfahren nach. Anspruch 1 bis 29 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Zinn-Legierung mit einem Anteil von 60 % Blei und 40 % Zinn verwendet wird.
    36. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Zinn-Legierung mit einem Anteil von 90 % Blei und 10 % Zinn verwendet wird.
    37· Verfahren nach Anspruch 1 bis 29 νυαά. 34, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Weichlot aus einer Blei-Zinn-Legierung mit einem Anteil von 97 % Blei und 3 % Zinn verwendet wird.
    38. Verfahren nach Anspruch 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot eine Gold-Zinn-Legierung verwendet wirdo
    39· "Verfahren nach Anspruch 1 bis 29 und 38, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot eine Gold-Zinn-Legierung mit einem Anteil von etwa 80 % Gold und 20 % Zinn verwendet wird. .
    40. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Lot ein Hartlot verwendet wird.
    41. Verfahren nach Anspruch 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe kugelförmige Körper verwendet werden.
    42. Verfahren nach Anspruch 1 bis 40, dadurch gekennzeichnet, daß als Zusatzstoffe zylinderförmige Körper verwendet werden.
    43· Verfahren nach Anspruch 1 bis 42, dadurch gekennzeichnet, daß Lotformteile aus dem mit Zusatzstoffen versehenen Lot durch Stanzen hergestellt werden.
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    - 12 - FBE 72/7
    44. Verfahren nach Anspruch 1 bis 43, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens ein der beiden zu verlötenden Teile
    das die Zusatzstoffe enthaltende Lot aufgebracht wird.
    45. Verfahren nach Anspruch 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zusatzstoffe enthaltende Lot im Tauchverfahren aufgebracht wird.
    46. Verfahren nach Anspruch 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zusatzstoffe enthaltende Lot durch Walzplattieren oder Aufpressen aufgebracht wird.
    47. Verfahren nach Anspruch 1 bis 44, dadurch gekennzeichnet, daß das die Zusatzstoffe enthaltende Lot durch Aufschmelzen von Lotfolie aufgebracht wird.
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